与双翅型飞虱Nilaparvata lugens翅膀多态性相关的独特微生物组特征

《Journal of Insect Physiology》：Distinct microbiome signatures associated with wing polyphenism in the wing-dimorphic planthopper Nilaparvata lugens

　　

朱正宇|徐海军

中国浙江省水稻生物学与育种国家重点实验室、浙江省农作物病原菌与昆虫生物学重点实验室、浙江大学昆虫科学研究所，杭州310058

摘要

翅多态性对于具有两种翅型的飞虱Nilaparvata lugens的生态适应至关重要，但其与共生微生物群的关联仍知之甚少。本研究调查了三种N. lugens品系（Field、HSD和Lab），这些品系表现出稳定但不同的长翅与短翅比例。16S rRNA扩增子测序显示，不仅不同品系之间的微生物群组成和结构存在显著差异，即使在相同的遗传背景和生活环境中，不同翅型之间的微生物群也存在差异。此外，功能预测表明，好氧细菌的相对丰度以及特定的代谢途径（尤其是类固醇激素生物合成和亚油酸代谢）与长翅比例呈正相关。这些发现表明，N. lugens的翅型决定与独特的微生物组配置和宿主-微生物代谢相互作用密切相关，为昆虫表型可塑性提供了新的微生态视角。然而，需要进一步的实验验证来确定这些微生物变化是驱动翅型发育的原因，还是宿主生理差异的结果。

引言

翅多态性是昆虫表型可塑性的最显著例子之一，即单个基因型可以根据环境线索产生两种或更多种不同的翅型（Zhang等人，2019年；Brisson等人，2026年）。这种发育可塑性使昆虫能够在扩散和繁殖之间取得平衡：长翅型（macropterous）专门通过飞行迁移到新的栖息地，而短翅型（brachypterous）则在稳定环境中优先考虑繁殖（Zhang等人，2019年；Brisson等人，2026年）。在许多昆虫物种中，包括飞虱、蚜虫和蟋蟀，翅多态性是一种关键的适应策略，有助于种群扩张、新生态位的殖民以及逃避退化的栖息地（Lin等人，2018年；Zhang等人，2022年）。棕色飞虱Nilaparvata lugens（半翅目：Delphacidae）是亚洲地区水稻的毁灭性害虫，其显著的翅型二态性直接影响其迁徙能力和爆发潜力，使其成为研究昆虫表型可塑性分子和生理机制的理想模型（Xu等人，2015年；Zhang等人，2026年）。

在过去十年中，人们在阐明N. lugens翅型决定机制方面取得了显著进展。胰岛素/类胰岛素生长因子信号通路（IIS）已被确定为通过两种胰岛素受体InR1和InR2的相反作用来指导不同翅型发育的主要调节因子，这两种受体调节叉头转录因子FoxO的活性（Xu等人，2015年；Zhang等人，2021年）。在IIS通路下游，包括vestigial、Ultrabithorax和Zfh1在内的关键发育基因已被证明通过调节细胞增殖和翅型模式来介导翅型转换（Liu等人，2020年；Zhang等人，2021年；Zhang等人，2022年）。此外，IIS通路通过下调蜕皮激素生物合成来驱动这种发育转换，低水平的蜕皮激素有利于长翅型的发育（Zhang等人，2026年）。尽管在理解翅多态性的内源性遗传和激素调节方面取得了这些进展，但共生微生物群在调节宿主翅型发育中的潜在作用仍大部分未被探索。

共生微生物已成为昆虫生理、代谢、发育和环境适应中的关键因素（Salem等人，2020年；Lange等人，2023年；Haider等人，2025年）。昆虫体内携带多种微生物群落，这些微生物群落有助于提供营养、解毒植物次生代谢产物和杀虫剂、调节免疫系统以及调控宿主发育过程（Engel和Moran，2013年；Vigneron等人，2014年；Douglas，2015年）。在N. lugens中，居住在脂肪体中的酵母样共生体（YLS）提供必需的氨基酸、固醇和维生素，以弥补营养不均衡的韧皮部汁液饮食；而细菌内共生体（如Arsenophonus和Wolbachia）已被证明会影响宿主繁殖、杀虫剂抗性和毒力变异（Xue等人，2014年；Ju等人，2020年）。最近的研究表明，N. lugens的长翅型和短翅型之间的肠道细菌群落存在差异，其中Serratia和Acinetobacter显示出特定于形态的丰度模式，这表明细菌共生体可能参与翅型分化或维持（Zhao等人，2024年）。然而，微生物群组成与翅型决定之间的因果关系以及潜在的代谢机制仍有待确定。

鉴于翅多态性在N. lugens种群动态和害虫管理中的关键作用，了解共生微生物群对翅型发育的贡献可能为昆虫表型可塑性的调控提供新的见解，并为可持续的害虫控制策略开辟新的途径。在本研究中，我们调查了三种自然保持稳定但不同翅型比例的N. lugens品系，以探讨微生物群组成与翅多态性之间的关系。通过16S rRNA扩增子测序和功能预测分析，我们识别了特定于品系和形态的细菌特征，并探索了与翅多态性相关的潜在代谢途径。我们的发现表明，N. lugens中稳定的翅型比例与特定的微生物群组成改变和宿主-微生物代谢相互作用密切相关，为微生物对昆虫表型可塑性的调控提供了新的视角。

章节片段

昆虫

三种N. lugens品系分别于2024年、2016年和2008年从中国杭州的野外种群中采集，它们表现出不同且稳定的长翅与短翅比例（分别命名为Field、HSD和Lab）。在所有实验之前，这些品系在实验室中连续纯化了20代以上，以确保表型稳定。所有飞虱均在易感水稻幼苗（品种Taichung Native 1，TN1）上饲养。

N. lugens品系中的翅多态性和微生物群组成

为了研究

讨论

本研究表明，共生微生物群组成与N. lugens的翅多态性密切相关，揭示了与长翅型和短翅型相关的独特细菌特征和功能谱型。我们的结果表明，不同翅型比例的品系之间以及同一品系内不同翅型之间的微生物群结构、多样性和预测的代谢功能存在显著差异，这表明宿主-微生物相互作用

朱正宇（概念提出[主导]、数据管理[主导]、正式分析[主导]、研究[主导]、方法学[主导]、初稿撰写[主导]），徐海军（概念提出[主导]、资金获取[主导]、项目管理[主导]、资源提供[主导]、监督[主导]、初稿撰写[主导]、审稿与编辑[主导）。

CRediT作者贡献声明

朱正宇：审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念提出。徐海军：审稿与编辑、监督、资源提供、项目管理、资金获取、概念提出。

资助

国家自然科学基金（编号32272519和32472541）的支持。

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